FR3090125A1 - Compact lidar system - Google Patents
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Abstract
Système lidar anémométrique compact (1) aéroporté comprenant, un laser (10) pouvant émettre un faisceau laser (4), un système optique (5) adapté pour mettre en forme le faisceau laser (4) émis par le laser, une fenêtre optique (3) transparente au rayonnement laser émis par le laser, caractérisé en ce que le système lidar comprend au moins un prisme configuré pour dévier le faisceau laser mise en forme par le système optique de manière à ce qu’il traverse la fenêtre optique (3) en formant, avec la normale à ladite fenêtre optique, un angle non nul, l’angle entre l’axe optique du système optique (5) et la normale étant inférieur à 10°. Figure pour l’abrégé : Figure 2Airborne compact anemometric lidar system (1) comprising, a laser (10) capable of emitting a laser beam (4), an optical system (5) suitable for shaping the laser beam (4) emitted by the laser, an optical window ( 3) transparent to the laser radiation emitted by the laser, characterized in that the lidar system comprises at least one prism configured to deflect the laser beam formed by the optical system so that it passes through the optical window (3) by forming, with the normal to said optical window, a non-zero angle, the angle between the optical axis of the optical system (5) and the normal being less than 10 °. Figure for the abstract: Figure 2
Description
DescriptionDescription
Titre de l'invention : Système lidar compactTitle of the invention: Compact lidar system
[0001] L’invention porte sur un dispositif lidar anémométrique destiné au domaine de l’aéronautique.The invention relates to an anemometric lidar device intended for the aeronautical field.
[0002] Le maintien d’un aéronef en vol nécessite de connaître un certain nombre de paramètres fondamentaux comme son altitude relative, sa vitesse par rapport à la masse d’air ambiante et son angle d’incidence.Maintaining an aircraft in flight requires knowing a certain number of fundamental parameters such as its relative altitude, its speed relative to the ambient air mass and its angle of incidence.
[0003] Les dispositifs d’anémométrie lidar permettent de mesurer par exemple la vitesse relative de l’air en un point situé à faible distance de la peau d’avion sans nécessiter de protubérance matérielle. La mesure de vitesse par lidar anémométrique s’appuie sur la mesure du décalage de fréquence, par effet Doppler, entre un faisceau laser émis dans l’atmosphère et le faisceau rétrodiffusé par les aérosols naturellement présents dans l’air.Lidar anemometry devices make it possible to measure, for example, the relative speed of air at a point located a short distance from the aircraft skin without requiring a material protuberance. The speed measurement by anemometric lidar is based on the measurement of the frequency offset, by Doppler effect, between a laser beam emitted in the atmosphere and the beam backscattered by aerosols naturally present in the air.
[0004] La figure 1 représente un lidar anémométrique pour mesure aéronautique connu de l’art antérieur. Ce lidar comprend un système laser 10 pouvant émettre un faisceau laser 4 à une certaine longueur d’onde et comprend un système optique de focalisation 5 adapté pour focaliser le faisceau laser 4. Le faisceau laser rétrodiffusé par des particules atmosphériques est dirigé vers une détection hétérodyne où le battement avec un rayonnement laser dit d’oscillateur local permet de générer un signal électrique dont la fréquence est égale au décalage de fréquence lié à l’effet Doppler. Le décalage Doppler étant proportionnel à la projection de la vitesse relative des aérosols sur l’axe du faisceau du lidar, Il est alors possible de calculer la vitesse radiale de la masse d’air. Dans la figure 1, le faisceau laser 4 est émis par le laser au travers d’une fenêtre optique 3 (ou hublot) qui est transparent à la longueur d’onde du rayonnement laser. Afin d’assurer que la fenêtre optique 3 soit à niveau avec la peau de l’aéronef, celle-ci est montée sur une platine 2.Figure 1 shows an anemometric lidar for aeronautical measurement known from the prior art. This lidar comprises a laser system 10 capable of emitting a laser beam 4 at a certain wavelength and comprises an optical focusing system 5 adapted to focus the laser beam 4. The laser beam backscattered by atmospheric particles is directed towards heterodyne detection where the beat with a laser radiation known as a local oscillator makes it possible to generate an electrical signal whose frequency is equal to the frequency offset linked to the Doppler effect. The Doppler shift being proportional to the projection of the relative speed of the aerosols on the axis of the lidar beam, it is then possible to calculate the radial speed of the air mass. In FIG. 1, the laser beam 4 is emitted by the laser through an optical window 3 (or window) which is transparent to the wavelength of the laser radiation. In order to ensure that the optical window 3 is level with the skin of the aircraft, the latter is mounted on a plate 2.
[0005] Afin de mesurer des vitesses anémométriques pertinentes de l’aéronef, il est en général souhaitable d’orienter le système laser 10 de telle sorte que l’axe de propagation du faisceau laser 4 forme un angle non nul avec la normale à la peau de l’aéronef au point d’installation choisi du lidar 1. Pour cela, la solution préférentielle est d’incliner l’axe optique du système de focalisation 5 du faisceau optique 4 par rapport à la normale au hublot d’interface 3 à l’intérieur de l’équipement lidar.In order to measure relevant airspeeds of the aircraft, it is generally desirable to orient the laser system 10 so that the axis of propagation of the laser beam 4 forms a non-zero angle with the normal to the skin of the aircraft at the chosen point of installation of the lidar 1. For this, the preferred solution is to tilt the optical axis of the focusing system 5 of the optical beam 4 relative to normal to the interface porthole 3 to inside the lidar equipment.
[0006] Cependant, cela implique des difficultés d’intégration des éléments et réduit la réutilisabilité d’une conception d’un dispositif lidar. En effet, il n’est pas possible de modifier l’orientation du faisceau traversant le hublot sans concevoir un arrangement opto-mécanique différent.However, this implies difficulties in integrating the elements and reduces the reusability of a design of a lidar device. Indeed, it is not possible to modify the orientation of the beam passing through the porthole without designing a different opto-mechanical arrangement.
[0007] Modifier l’angle du faisceau hors du dispositif implique par ailleurs de concevoir à nouveau des cartes électroniques dont la forme doit être adaptée à un nouvel encombrement interne du dispositif lidar 1.Changing the angle of the beam outside the device also involves redesigning electronic cards whose shape must be adapted to a new internal size of the lidar 1 device.
[0008] Enfin, l’inclinaison interne du système optique 5 au sein du dispositif 1 limite la compacité de l’équipement lidar en raison de la séparation - selon l’axe de propagation du faisceau - nécessaire entre le système optique et la fenêtre optique afin que le faisceau laser mis en forme par le système optique traverse la fenêtre optique.Finally, the internal inclination of the optical system 5 within the device 1 limits the compactness of the lidar equipment due to the separation - along the axis of propagation of the beam - necessary between the optical system and the optical window so that the laser beam shaped by the optical system passes through the optical window.
[0009] Tous ces paramètres augmentent considérablement le coût des systèmes lidars anémométriques.All these parameters considerably increase the cost of anemometric lidar systems.
[0010] L’invention vise à résoudre une partie des problèmes précités de l’art antérieur, c’est-à-dire que l’invention a pour objet un système lidar anémométrique de forte compacité.The invention aims to solve part of the aforementioned problems of the prior art, that is to say that the invention relates to an anemometric lidar system of high compactness.
RESUMEABSTRACT
[0011] Un objet de l’invention est un système lidar anémométrique compact aéroporté comprenant, un laser pouvant émettre un faisceau laser, un système optique adapté pour mettre en forme le faisceau laser émis par le laser, une fenêtre optique transparente au rayonnement laser émis par le laser, caractérisé en ce que le système lidar comprend au moins un prisme configuré pour dévier le faisceau laser mise en forme par le système optique de manière à ce qu’il traverse la fenêtre optique en formant, avec la normale n à ladite fenêtre optique, un angle non nul, l’angle entre l’axe optique du système optique et la normale n étant inférieur à 10°.An object of the invention is an airborne compact anemometric lidar system comprising, a laser capable of emitting a laser beam, an optical system suitable for shaping the laser beam emitted by the laser, an optical window transparent to the emitted laser radiation by the laser, characterized in that the lidar system comprises at least one prism configured to deflect the laser beam shaped by the optical system so that it crosses the optical window forming, with the normal n to said window optical, a non-zero angle, the angle between the optical axis of the optical system and the normal n being less than 10 °.
[0012] Selon des modes de réalisation particulier d’un tel système lidar :According to particular embodiments of such a lidar system:
- il comprend une platine sur laquelle est montée la fenêtre optique, la platine étant adaptée pour que ladite fenêtre optique soit à niveau avec la peau du porteur du système lidar ;- It comprises a plate on which the optical window is mounted, the plate being adapted so that said optical window is level with the skin of the wearer of the lidar system;
- il comprend un premier et un second prisme, ledit premier prisme étant configuré pour dévier le faisceau laser mis en forme par le système optique 5, ledit second prisme étant monté sur un dispositif de rotation configuré pour réaliser une rotation autour l’axe de propagation du faisceau laser transmis par le premier prisme, ledit dispositif étant piloté par un circuit permettant d’orienter le second prisme de manière à sélectionner l’angle avec lequel le faisceau laser est dévié par le second prisme et traverse la fenêtre optique ;- It comprises a first and a second prism, said first prism being configured to deflect the laser beam shaped by the optical system 5, said second prism being mounted on a rotation device configured to rotate around the axis of propagation of the laser beam transmitted by the first prism, said device being controlled by a circuit making it possible to orient the second prism so as to select the angle with which the laser beam is deflected by the second prism and crosses the optical window;
- ledit ou au moins un prisme est placé à une distance de la fenêtre optique inférieure à 20% du diamètre de la fenêtre optique ;- Said or at least one prism is placed at a distance from the optical window less than 20% of the diameter of the optical window;
- le ou les prismes sont orientés pour que le faisceau laser traversant le ou les prismes soit dévie avec un angle correspondant au minimum de déviation du ou des prismes ;the prism (s) are oriented so that the laser beam passing through the prism (s) is deflected with an angle corresponding to the minimum deflection of the prism (s);
- l’indice de réfraction du ou des prismes est supérieur à 2 ;- the refractive index of the prism (s) is greater than 2;
- le ou les prismes sont réalisés en silicium ou en germanium ;- The prism (s) are made of silicon or germanium;
- l’angle entre l’axe optique du système optique (5) et la normale n est nul.- the angle between the optical axis of the optical system (5) and the normal n is zero.
Brève description des dessinsBrief description of the drawings
[0013] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :Other characteristics, details and advantages of the invention will emerge on reading the description made with reference to the accompanying drawings given by way of example and which represent, respectively:
[0014] [fig-1], un système lidar anémométrique pour mesure aéronautique de l’art antérieur.[Fig-1], an anemometric lidar system for aeronautical measurement of the prior art.
[0015] [fig.2], un système lidar anémométrique compact pour mesure aéronautique selon un premier mode de réalisation de l’invention.[Fig.2], a compact anemometric lidar system for aeronautical measurement according to a first embodiment of the invention.
[0016] [fig-3], un système lidar anémométrique compact pour mesure aéronautique selon un second mode de réalisation de l’invention.[Fig-3], a compact anemometric lidar system for aeronautical measurement according to a second embodiment of the invention.
[0017] [fig-4], un système lidar anémométrique compact pour mesure aéronautique selon un second mode de réalisation de l’invention.[Fig-4], a compact anemometric lidar system for aeronautical measurement according to a second embodiment of the invention.
[0018] Les références aux figures, quand elles sont identiques, correspondent aux mêmes éléments.The references to the figures, when they are identical, correspond to the same elements.
[0019] Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle.In the figures, unless contraindicated, the elements are not to scale.
Description des modes de réalisationDescription of the embodiments
[0020] La figure 2 illustre un système lidar 20 anémométrique compact pour mesure aéronautique selon un premier mode de réalisation de l’invention. Ce système lidar 20 est embarqué sur un aéronef et comprend un laser 10 pouvant émettre un faisceau laser 4.FIG. 2 illustrates a compact anemometric lidar system 20 for aeronautical measurement according to a first embodiment of the invention. This lidar system 20 is on board an aircraft and includes a laser 10 capable of emitting a laser beam 4.
[0021] Le lidar 20 comprend un système optique 5 adapté pour mettre en forme le faisceau laser 4 émis par le laser et une fenêtre optique 3 transparente au rayonnement laser émis par le laser. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le rayonnement émis par le laser 10 possède une longueur d’onde comprise entre l,4pm et l,7pm. Afin d’assurer la conformité de la fenêtre optique 3 avec la peau de l’aéronef, celle-ci est monté sur une platine 2. Par transparente, on entend ici une transmission supérieure à 90 %. La fenêtre optique 3 est montée sur une platine 2 afin de s’assurer que la fenêtre optique soit à niveau avec la peau de l’aéronef.The lidar 20 includes an optical system 5 adapted to shape the laser beam 4 emitted by the laser and an optical window 3 transparent to the laser radiation emitted by the laser. In the embodiment of FIG. 2, the radiation emitted by the laser 10 has a wavelength between 1.4 pm and 1.7 pm. In order to ensure the conformity of the optical window 3 with the skin of the aircraft, it is mounted on a plate 2. By transparent, we mean here a transmission greater than 90%. The optical window 3 is mounted on a plate 2 in order to ensure that the optical window is level with the skin of the aircraft.
[0022] Afin de déterminer des vitesses anémométriques pertinentes, le système lidar 20 comprend, de plus, au moins un prisme 6 configuré pour dévier le faisceau laser mis en forme par le système optique, de manière à ce qu’il traverse la fenêtre optique 3 en formant avec la normale n à ladite fenêtre optique un angle non nul. Le hublot 3 étant monté sur la platine 2 cela revient à dire que le prisme est configuré pour que l’axe de propagation x du faisceau laser 4 dévié par le prisme et traversant la fenêtre optique ne soit pas parallèle à la normale n de la peau du porteur à la zone ou point d’installation du système lidar. Dans le mode de réalisation de la figure 2, l’angle entre l’axe de propagation du faisceau laser et la normale π de la peau du porteur, appelé angle d’émergence, est inférieur à 45°. Il est préférable de garder cet angle inférieur à 45° car les traitements antireflets sous haute incidence sont plus difficiles à réaliser et plus coûteux. De plus, une incidence importante implique un fort décalage entre les points d'entrée et de sortie du faisceau sur le hublot conduisant à agrandir le hublot. On entend par prisme, un élément transmissif ayant deux faces opposées planes et non parallèles. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le système lidar comporte un seul prisme, le prisme est configuré pour que l’axe de propagation x du faisceau laser 4 dévié par le prisme et traversant la fenêtre optique ne soit pas parallèle à la normale n de la peau du porteur à la zone ou au point d’installation du système lidar. Le système optique est configuré pour que l’angle formé par l’axe optique et la normale n à la fenêtre optique soit inférieur à 10° et préférentiellement nul. Cet angle est le plus faible possible pour que l’encombrement du système optique dans le système lidar soit le plus faible possible.To determine relevant airspeeds, the lidar system 20 further comprises at least one prism 6 configured to deflect the laser beam shaped by the optical system, so that it passes through the optical window 3 by forming with the normal n to said optical window a non-zero angle. The window 3 being mounted on the plate 2 this amounts to saying that the prism is configured so that the axis of propagation x of the laser beam 4 deflected by the prism and passing through the optical window is not parallel to the normal n of the skin from the wearer to the installation area or point of the lidar system. In the embodiment of FIG. 2, the angle between the axis of propagation of the laser beam and the normal π of the wearer's skin, called the emergence angle, is less than 45 °. It is preferable to keep this angle less than 45 ° since anti-reflective treatments under high incidence are more difficult to perform and more expensive. In addition, a significant incidence implies a large offset between the points of entry and exit of the beam on the window leading to enlarge the window. By prism is meant a transmissive element having two opposite planar faces and not parallel. In the embodiment of FIG. 2, the lidar system comprises a single prism, the prism is configured so that the axis of propagation x of the laser beam 4 deflected by the prism and passing through the optical window is not parallel to normal n from the wearer's skin to the area or point of installation of the lidar system. The optical system is configured so that the angle formed by the optical axis and the normal n to the optical window is less than 10 ° and preferably zero. This angle is as small as possible so that the size of the optical system in the lidar system is as small as possible.
[0023] L’utilisation d’un tel prisme permet de choisir l’orientation de l’axe du système optique 5 dans le système lidar 20 indépendamment de l’orientation du faisceau à l’extérieur de l’équipement. Ceci permet un gain de compacité du système lidar 20 en réduisant les pertes de volume utile. En effet, à l’inverse des dispositifs lidar de l’art antérieur, il n’est alors plus nécessaire d’incliner l’axe du système optique et/ou du système laser afin d’obtenir un angle non nul entre l’axe de propagation du faisceau laser 4 et la normale à la peau de l’aéronef au point d’installation choisi du système lidar.The use of such a prism makes it possible to choose the orientation of the axis of the optical system 5 in the lidar system 20 independently of the orientation of the beam outside the equipment. This allows a gain in compactness of the lidar 20 system by reducing the losses of useful volume. In contrast to the lidar devices of the prior art, it is no longer necessary to tilt the axis of the optical system and / or of the laser system in order to obtain a non-zero angle between the axis propagation of the laser beam 4 and normal to the skin of the aircraft at the chosen installation point of the lidar system.
[0024] De plus, I’utilisation d’un prisme favorise la polyvalence de l’équipement en rendant possible une modification de l’orientation du faisceau à l’extérieur de l’aéronef simplement en changeant le prisme utilisé (par exemple, en le remplaçant par un prisme ayant un angle différent entre ses faces) sans avoir à ajuster l’architecture optique, mécanique et électronique interne du système lidar. Il est aussi possible de tourner le prisme 6 autour de l’axe optique du système optique 5 afin de modifier le plan formé par l’axe de propagation x du faisceau et la normale n à la fenêtre optique.In addition, the use of a prism promotes the versatility of the equipment by making it possible to modify the orientation of the beam outside the aircraft simply by changing the prism used (for example, by replacing it with a prism having a different angle between its faces) without having to adjust the internal optical, mechanical and electronic architecture of the lidar system. It is also possible to rotate the prism 6 around the optical axis of the optical system 5 in order to modify the plane formed by the axis of propagation x of the beam and the normal n to the optical window.
[0025] Le prisme permet donc de maximiser les éléments communs entre les systèmes lidar positionnés en différents emplacements d’un même porteur ou même entre les systèmes lidar embarqués sur des porteurs différents. Ces avantages permettent une baisse considérable du coût du système lidar 20.The prism therefore makes it possible to maximize the common elements between the lidar systems positioned in different locations of the same carrier or even between the lidar systems on board different carriers. These advantages allow a considerable reduction in the cost of the lidar 20 system.
[0026] Le prisme est réalisé dans un matériau transparent à rayonnement laser émis par le laser 10 et possédant un fort indice de réfraction (typiquement supérieur à 2) afin de limiter la dimension et l’angle du prisme nécessaire pour dévier le faisceau et minimiser les aberrations optiques sur le faisceau transmis, pour des longueurs d’onde de laser comprise entre 1,4 et 1,7 pm, le prisme pourra par exemple être réalisé en silicium (Si, n ~ 3,5) ou en germanium (Ge n ~ 4,3)The prism is made of a transparent material with laser radiation emitted by the laser 10 and having a high refractive index (typically greater than 2) in order to limit the dimension and the angle of the prism necessary to deflect the beam and minimize optical aberrations on the transmitted beam, for laser wavelengths between 1.4 and 1.7 pm, the prism could for example be made of silicon (Si, n ~ 3.5) or germanium (Ge n ~ 4.3)
[0027] De manière préférentielle le prisme est orienté de manière à être utilisé à son minimum de déviation afin de minimiser les aberrations provoquées sur le faisceau laser 4 par la traversée dudit prisme.Preferably the prism is oriented so as to be used at its minimum deflection in order to minimize the aberrations caused on the laser beam 4 by the crossing of said prism.
[0028] Le prisme 6 est placé à une distance aussi faible que possible de la fenêtre optique afin de réduire le plus possible l’espace nécessaire entre l’axe du système optique et la zone utile de la fenêtre optique (zone où traverse le faisceau laser). Placer le prisme au plus proche du hublot permet donc de réduire le volume du système lidar. Il faudra cependant éviter le contact avec la fenêtre optique, dans tout le domaine d’environnement prévu du système, car ce contact pourrait conduire à la détérioration des surfaces. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le prisme est placé à une distance de la fenêtre optique inférieure à 20% du diamètre de la fenêtre optique.The prism 6 is placed at a distance as small as possible from the optical window in order to reduce as much as possible the space necessary between the axis of the optical system and the useful area of the optical window (area where the beam crosses laser). Placing the prism as close as possible to the window therefore reduces the volume of the lidar system. However, contact with the optical window should be avoided in the entire intended environment of the system, as this contact could lead to deterioration of the surfaces. In the embodiment of FIG. 2, the prism is placed at a distance from the optical window less than 20% of the diameter of the optical window.
[0029] Les figures 3 et 4 illustrent un système lidar 30 anémométrique compact pour mesure aéronautique selon un second mode de réalisation de l’invention. Dans ce mode de réalisation le système lidar comprend deux prismes, un premier prisme 6 configuré pour dévier le faisceau laser mis en forme par le système optique 5 et un second prisme 7 monté sur un dispositif de rotation 8 configuré pour réaliser une rotation autour de l’axe de propagation du faisceau laser transmis par le premier prisme 6. Le premier 6 et le second prisme 7 sont placés de manière à être utilisés à leur minimum de déviation afin de minimiser les aberrations provoquées sur le faisceau laser 4 par la traversée des deux prismes. Le dispositif de rotation est piloté par un circuit (non représenté dans la figure 3) permettant d’orienter le second prisme de manière à contrôler et de faire varier l’angle avec lequel le faisceau laser 4 traverse la fenêtre optique tout en minimisant les aberrations optiques de celui-ci. Dans le mode de réalisation de la figure 3, l'orientation du prisme 7 est choisie de manière à minimiser l'angle d'émergence sur la fenêtre optique. Dans le mode de réalisation de la figure 4 l'orientation du prisme est choisie de manière à maximiser l’angle d’émergence.Figures 3 and 4 illustrate a compact anemometric lidar system 30 for aeronautical measurement according to a second embodiment of the invention. In this embodiment, the lidar system comprises two prisms, a first prism 6 configured to deflect the laser beam shaped by the optical system 5 and a second prism 7 mounted on a rotation device 8 configured to rotate around the axis of propagation of the laser beam transmitted by the first prism 6. The first 6 and the second prism 7 are placed so as to be used at their minimum deflection in order to minimize the aberrations caused on the laser beam 4 by the crossing of the two prisms. The rotation device is controlled by a circuit (not shown in FIG. 3) making it possible to orient the second prism so as to control and vary the angle with which the laser beam 4 passes through the optical window while minimizing aberrations optics of it. In the embodiment of FIG. 3, the orientation of the prism 7 is chosen so as to minimize the angle of emergence on the optical window. In the embodiment of FIG. 4, the orientation of the prism is chosen so as to maximize the angle of emergence.
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